Радионуклид ( радиоактивный нуклид , радиоизотоп или радиоактивный изотоп ) — это нуклид , обладающий избыточной ядерной энергией, что делает его нестабильным. Эта избыточная энергия может быть использована одним из трех способов: испускается ядром в виде гамма-излучения ; передается одному из его электронов , чтобы высвободить его в качестве конверсионного электрона ; или используется для создания и испускания новой частицы ( альфа-частицы или бета-частицы ) из ядра. Говорят, что во время этих процессов радионуклид подвергается радиоактивному распаду . [1]Эти выбросы считаются ионизирующим излучением , потому что они достаточно мощные, чтобы высвободить электрон из другого атома. Радиоактивный распад может привести к образованию стабильного нуклида или иногда к образованию нового нестабильного радионуклида, который может подвергнуться дальнейшему распаду. Радиоактивный распад — это случайный процесс на уровне отдельных атомов: невозможно предсказать, когда распадется один конкретный атом. [2] [3] [4] [5] Однако для набора атомов одного нуклида скорость распада и, следовательно, период полураспада ( t 1/2 ) для этого набора можно рассчитать на основе их измеренного распада. константы. Диапазон периодов полураспада радиоактивных атомов не имеет известных ограничений и охватывает временной диапазон более 55 порядков.
Радионуклиды встречаются в природе или искусственно производятся в ядерных реакторах , циклотронах , ускорителях частиц или генераторах радионуклидов . Существует около 730 радионуклидов с периодом полураспада более 60 минут (см. список нуклидов ). Тридцать два из них являются первичными радионуклидами .которые были созданы до образования земли. По крайней мере, еще 60 радионуклидов можно обнаружить в природе либо как дочерние элементы первичных радионуклидов, либо как радионуклиды, образующиеся в результате естественного образования на Земле под действием космического излучения. Более 2400 радионуклидов имеют период полураспада менее 60 минут. Большинство из них производятся только искусственно и имеют очень короткий период полураспада. Для сравнения, существует около 252 стабильных нуклидов . (Теоретически только 146 из них стабильны, а остальные 106, как полагают, распадаются посредством альфа-распада , бета-распада , двойного бета-распада , электронного захвата или двойного электронного захвата .)
Все химические элементы могут существовать в виде радионуклидов. Даже самый легкий элемент, водород , содержит хорошо известный радионуклид тритий . Элементы тяжелее свинца , а также элементы технеций и прометий существуют только в виде радионуклидов. (Теоретически элементы тяжелее диспрозия существуют только в виде радионуклидов, но некоторые такие элементы, такие как золото и платина , стабильны при наблюдениях , и их периоды полураспада не определены).
Незапланированное облучение радионуклидами, как правило, оказывает вредное воздействие на живые организмы, включая человека, хотя низкие уровни облучения происходят естественным образом без вреда. Степень вреда будет зависеть от характера и степени производимого излучения, количества и характера воздействия (близкий контакт, вдыхание или проглатывание) и биохимических свойств элемента; с повышенным риском рака самое обычное последствие. Однако радионуклиды с подходящими свойствами используются в ядерной медицине как для диагностики, так и для лечения. Индикатор визуализации, изготовленный из радионуклидов, называется радиоактивным индикатором . Фармацевтический препарат , изготовленный из радионуклидов, называется радиофармпрепаратом .
На Земле природные радионуклиды делятся на три категории: первичные радионуклиды, вторичные радионуклиды и космогенные радионуклиды.
Многие из этих радионуклидов существуют в природе лишь в следовых количествах, включая все космогенные нуклиды. Вторичные радионуклиды будут встречаться пропорционально их периодам полураспада, поэтому короткоживущие будут очень редки. Например, полоний можно найти в урановых рудах в количестве около 0,1 мг на метрическую тонну (1 часть на 10 10 ). [7] [8] Другие радионуклиды могут встречаться в природе в практически не поддающихся обнаружению количествах в результате редких событий, таких как спонтанное деление или необычные взаимодействия космических лучей.
Радионуклиды образуются как неизбежный результат ядерного деления и термоядерных взрывов . В процессе ядерного деления образуется широкий спектр продуктов деления , большинство из которых являются радионуклидами. Дополнительные радионуклиды могут образовываться в результате облучения ядерного топлива (с образованием ряда актинидов ) и окружающих структур с образованием продуктов активации . Эта сложная смесь радионуклидов с различным химическим составом и радиоактивностью делает обращение с ядерными отходами и ядерными осадками особенно проблематичным.
Синтетические радионуклиды намеренно синтезируются с использованием ядерных реакторов , ускорителей частиц или генераторов радионуклидов:
Радионуклиды используются двумя основными способами: либо только для их излучения ( облучение , ядерные батареи ), либо для сочетания химических свойств и их излучения (индикаторы, биофармацевтические препараты).
В следующей таблице перечислены свойства отдельных радионуклидов, иллюстрирующие диапазон свойств и областей применения.
Изотоп | Z | Н | период полураспада | ДМ | DE кэВ | Способ формирования | Комментарии |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Тритий ( 3 H) | 1 | 2 | 12,3 года | β - | 19 | космогенный | самый легкий радионуклид, используемый в искусственном ядерном синтезе , также используемый для радиолюминесценции и в качестве переходного индикатора в океане. Синтезируется из нейтронной бомбардировки лития-6 или дейтерия . |
Бериллий-10 | 4 | 6 | 1 387 000 лет | β - | 556 | космогенный | используется для изучения эрозии почвы, образования почвы из реголита и возраста ледяных кернов. |
Углерод-14 | 6 | 8 | 5700 лет | β - | 156 | космогенный | используется для радиоуглеродного датирования |
Фтор-18 | 9 | 9 | 110 мин | β + , ЕС | 633/1655 | космогенный | источник позитронов, синтезированный для использования в качестве медицинского радиофармпрепарата при ПЭТ-сканировании . |
Алюминий-26 | 13 | 13 | 717 000 лет | β + , ЕС | 4004 | космогенный | экспозиционное датирование горных пород, отложений |
Хлор-36 | 17 | 19 | 301 000 лет | β - , ЭК | 709 | космогенный | экспозиционное датирование горных пород, трассер подземных вод |
Калий-40 | 19 | 21 | 1,24 × 109 лет | β - , ЭК | 1330/1505 | Изначальный | используется для калий-аргонового датирования , источник атмосферного аргона , источник радиогенного тепла , крупнейший источник естественной радиоактивности |
Кальций-41 | 20 | 21 | 99 400 лет | ЕС | космогенный | экспозиционное датирование карбонатных пород | |
Кобальт-60 | 27 | 33 | 5,3 года | β - | 2824 | Синтетический | производит гамма-лучи высокой энергии, используемые для лучевой терапии, стерилизации оборудования, облучения пищевых продуктов |
Криптон-81 | 36 | 45 | 229 000 лет | β + | космогенный | датирование подземных вод | |
Стронций-90 | 38 | 52 | 28,8 лет | β - | 546 | Продукт деления | среднеживущий продукт деления ; вероятно, самый опасный компонент ядерных осадков |
Технеций-99 | 43 | 56 | 210 000 лет | β - | 294 | Продукт деления | самый распространенный изотоп самого легкого нестабильного элемента, самый важный из долгоживущих продуктов деления |
Технеций-99м | 43 | 56 | 6 часов | γ,IC | 141 | Синтетический | наиболее часто используемый медицинский радиоизотоп, используемый в качестве радиоактивного индикатора |
Йод-129 | 53 | 76 | 15 700 000 лет | β - | 194 | космогенный | самый долгоживущий продукт деления ; индикатор подземных вод |
Йод-131 | 53 | 78 | 8 д | β - | 971 | Продукт деления | наиболее значительная краткосрочная опасность для здоровья от ядерного деления, используется в ядерной медицине, промышленный индикатор |
Ксенон-135 | 54 | 81 | 9,1 ч | β - | 1160 | Продукт деления | сильнейший известный «ядерный яд» (поглотитель нейтронов), оказывающий большое влияние на работу ядерного реактора. |
Цезий-137 | 55 | 82 | 30,2 года | β - | 1176 | Продукт деления | другой крупный среднеживущий продукт деления , вызывающий озабоченность |
Гадолиний-153 | 64 | 89 | 240 д | ЕС | Синтетический | Калибровка ядерного оборудования, скрининг плотности костей | |
Висмут-209 | 83 | 126 | 2,01 × 1019 лет | α | 3137 | Изначальный | долгое время считался стабильным, распад обнаружен только в 2003 г. |
Полоний-210 | 84 | 126 | 138 д | α | 5307 | Продукт распада | Высокотоксичен, использовался при отравлении Александра Литвиненко. |
Радон-222 | 86 | 136 | 3,8 д | α | 5590 | Продукт распада | газ, ответственный за большую часть воздействия ионизирующего излучения на население, вторая по частоте причина рака легких |
Торий-232 | 90 | 142 | 1,4 × 1010 лет | α | 4083 | Изначальный | основа ториевого топливного цикла |
Уран-235 | 92 | 143 | 7 × 108 лет | α | 4679 | Изначальный | делящийся , основное ядерное топливо |
Уран-238 | 92 | 146 | 4,5 × 109 лет | α | 4267 | Изначальный | Основной изотоп урана |
Плутоний-238 | 94 | 144 | 87,7 года | α | 5593 | Синтетический | используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РТГ) и блоках радиоизотопных нагревателей в качестве источника энергии для космических аппаратов. |
Плутоний-239 | 94 | 145 | 24 110 лет | α | 5245 | Синтетический | используется для большинства современных ядерных вооружений |
Америций-241 | 95 | 146 | 432 года | α | 5486 | Синтетический | используется в бытовых детекторах дыма в качестве ионизирующего агента |
Калифорния-252 | 98 | 154 | 2,64 года | α/SF | 6217 | Синтетический | подвергается спонтанному делению (3% распадов), что делает его мощным источником нейтронов, используемым в качестве инициатора реактора и для устройств обнаружения. |
Ключ: Z = атомный номер ; N = число нейтронов ; DM = режим затухания; DE = энергия распада; EC = захват электронов
Радионуклиды присутствуют во многих домах, поскольку они используются внутри наиболее распространенных бытовых детекторов дыма . В качестве радионуклида используется америций-241 , который создается путем бомбардировки плутония нейтронами в ядерном реакторе. Он распадается, испуская альфа-частицы и гамма-излучение , превращаясь в нептуний-237 . Детекторы дыма используют очень небольшое количество 241 Am (около 0,29 мкг на детектор дыма) в форме диоксида америция . 241 Am используется, поскольку он испускает альфа-частицы, которые ионизируют воздух в ионизационной камере детектора.. К ионизированному воздуху прикладывается небольшое электрическое напряжение, в результате чего возникает небольшой электрический ток. В присутствии дыма часть ионов нейтрализуется, тем самым уменьшая ток, что активирует сигнализацию извещателя. [13] [14]
Радионуклиды, попавшие в окружающую среду, могут оказывать вредное воздействие в виде радиоактивного загрязнения . Они также могут причинить вред, если их чрезмерно использовать во время лечения или иным образом подвергать воздействию живых существ, путем радиационного отравления . Потенциальный ущерб здоровью от воздействия радионуклидов зависит от ряда факторов и «может привести к нарушению функций здоровых тканей/органов. Радиационное воздействие может вызывать различные эффекты: от покраснения кожи и выпадения волос до радиационных ожогов и острого лучевого синдрома . привести к повреждению клеток и, в свою очередь, к раку. Признаки раковых клеток могут не проявляться в течение нескольких лет или даже десятилетий после воздействия». [15]
Ниже приводится сводная таблица для списка 989 нуклидов с периодом полураспада более одного часа. Распад 252 нуклидов никогда не наблюдался, и они классически считаются стабильными. Из них 90 считаются абсолютно стабильными, за исключением протонного распада (который никогда не наблюдался), в то время как остальные « наблюдательно стабильны » и теоретически могут подвергаться радиоактивному распаду с чрезвычайно длительным периодом полураспада.
Остальные занесенные в таблицу радионуклиды имеют период полураспада более 1 часа и хорошо охарактеризованы (полную таблицу см. в списке нуклидов ). Они включают 30 нуклидов с измеренным периодом полураспада, превышающим предполагаемый возраст Вселенной (13,8 миллиарда лет [16] ), и еще четыре нуклида с периодом полураспада, достаточно большим (> 100 миллионов лет), чтобы считать их радиоактивными первичными нуклидами , и могут быть обнаружены на Земле, сохранившись из-за их присутствия в межзвездной пыли еще до образования Солнечной системы, около 4,6 миллиарда лет назад. Еще более 60 короткоживущих нуклидов могут быть обнаружены естественным путем как дочерние элементы более долгоживущих нуклидов или продукты космических лучей. Остальные известные нуклиды известны исключительно из искусственных источников.ядерная трансмутация .
Цифры неточны и могут немного измениться в будущем, поскольку «стабильные нуклиды» считаются радиоактивными с очень длительным периодом полураспада.
Это сводная таблица [17] для 989 нуклидов с периодом полураспада более одного часа (включая стабильные), приведенных в списке нуклидов .
Класс устойчивости | Количество нуклидов | Общая сумма | Примечания к промежуточному итогу |
---|---|---|---|
Теоретически устойчив ко всему, кроме протонного распада. | 90 | 90 | Включает первые 40 элементов. Распад протона еще предстоит наблюдать. |
Теоретически устойчив к альфа-распаду , бета-распаду , изомерному переходу и двойному бета-распаду , но не к спонтанному делению , которое возможно для «стабильных» нуклидов ≥ ниобия-93. | 56 | 146 | Все нуклиды, которые, возможно , полностью стабильны (спонтанное деление никогда не наблюдалось для нуклидов с массовым числом < 232). |
Энергетически нестабилен по отношению к одному или нескольким известным режимам распада, но распада пока не наблюдается. Все считается «стабильным», пока не обнаружен распад. | 106 | 252 | Сумма классически стабильных нуклидов . |
Радиоактивные первичные нуклиды . | 34 | 286 | Общие первичные элементы включают уран , торий , висмут , рубидий-87 , калий-40 , теллур-128 плюс все стабильные нуклиды. |
Радиоактивные неисконные, но встречающиеся в природе на Земле. | 61 | 347 | Углерод-14 (и другие изотопы, генерируемые космическими лучами ) и дочерние радиоактивные первичные элементы, такие как радий , полоний и т. д. 41 из них имеют период полураспада более одного часа. |
Период полураспада радиоактивного синтетического материала ≥ 1,0 часа). Включает самые полезные радиофармпрепараты . | 662 | 989 | Эти 989 нуклидов перечислены в статье Список нуклидов . |
Радиоактивный синтетический (период полураспада < 1,0 часа). | >2400 | >3300 | Включает все хорошо охарактеризованные синтетические нуклиды. |
Этот список охватывает распространенные изотопы, большинство из которых доступно в очень небольших количествах для широкой публики в большинстве стран. Другие, недоступные для общественности, продаются в коммерческих, медицинских и научных областях и подлежат государственному регулированию.
Изотоп | Мероприятия | Период полураспада | Энергии ( кэВ ) |
---|---|---|---|
Барий-133 | 9694 ТБк/кг (262 Ки/г) | 10,7 лет | 81,0, 356,0 |
Кадмий-109 | 96200 ТБк/кг (2600 Ки/г) | 453 дня | 88,0 |
Кобальт-57 | 312280 ТБк/кг (8440 Ки/г) | 270 дней | 122,1 |
Кобальт-60 | 40700 ТБк/кг (1100 Ки/г) | 5,27 года | 1173,2, 1332,5 |
Европий-152 | 6660 ТБк/кг (180 Ки/г) | 13,5 лет | 121,8, 344,3, 1408,0 |
Марганец-54 | 287120 ТБк/кг (7760 Ки/г) | 312 дней | 834,8 |
Натрий-22 | 237540 ТБк/кг (6240 Ки/г) | 2,6 года | 511,0, 1274,5 |
Цинк-65 | 304510 ТБк/кг (8230 Ки/г) | 244 дня | 511,0, 1115,5 |
Технеций-99м | 1,95 × 10 7 ТБк/кг (5,27 × 10 5 Ки/г) | 6 часов | 140 |
Изотоп | Мероприятия | Период полураспада | Энергии (кэВ) |
---|---|---|---|
Стронций-90 | 5180 ТБк/кг (140 Ки/г) | 28,5 лет | 546,0 |
Таллий-204 | 17057 ТБк/кг (461 Ки/г) | 3,78 года | 763,4 |
Углерод-14 | 166,5 ТБк/кг (4,5 Ки/г) | 5730 лет | 49,5 (в среднем) |
Тритий (водород-3) | 357050 ТБк/кг (9650 Ки/г) | 12,32 года | 5,7 (в среднем) |
Изотоп | Мероприятия | Период полураспада | Энергии (кэВ) |
---|---|---|---|
Полоний-210 | 166500 ТБк/кг (4500 Ки/г) | 138 376 дней | 5304,5 |
Уран-238 | 12580 кБк/кг (0,00000034 Ки/г) | 4,468 миллиарда лет | 4267 |
Изотоп | Мероприятия | Период полураспада | Типы излучения | Энергии (кэВ) |
---|---|---|---|---|
Цезий-137 | 3256 ТБк/кг (88 Ки/г) | 30,1 года | Гамма и бета | Г: 32 661,6 Б: 511,6 1173,2 |
Америций-241 | 129,5 ТБк/кг (3,5 Ки/г) | 432,2 года | Гамма и альфа | Г: 59,5, 26,3, 13,9 А: 5485, 5443 |
Викискладе есть медиафайлы, связанные с радионуклидами . |